Твёрдые, кристаллические, аморфные тела

Современные материалы (жидкие кристаллы). Сублимация

История открытия

В 1888-м году австрийский ботаник Фридерих Рейнитцер выяснил, что у некоторых типов кристаллов имеется две точки плавления, из чего следует, что существует два различных жидких состояния, в одном из которых вещество прозрачное, а в другом – мутное.

И хотя в 1904-м году немецкий физик Отто Леман предоставил ряд научных доказательств в пользу жидких кристаллов в своей одноименной книге, все же долгое время жидкие кристаллы не признавались как отдельные состояния вещества. В 1963-м году американский изобретатель Джеймс Фергюсон нашел применение одному из свойств ЖК – изменение цвета в зависимости от температуры. Американец получил патент на изобретение, которое способно обнаруживать невидимые для глаз тепловые поля. С этого популярность жидких кристаллов начала расти.

Группы жидких кристаллов и их свойства

Жидкие кристаллы обычно разделяют на две группы:

1.                  Термотропные – образовываются вследствие разогрева твердого вещества. Способны существовать в условиях определенной температуры и давления. Их разделяют на три типа, в зависимости от расположения молекул:

порядки разных термотропных ЖК

A.                  Смектические – такие ЖК имеют слоистую структуру, слои которой способны перемещаться друг относительно друга. Плотность слоя с приближением к поверхности может меняться. Кроме того, «смектики» обладают относительно высокой вязкостью. Наиболее обширный класс ЖК.

B.                  Нематические – не обладают слоистой структурой, а их вытянутые молекулы непрерывно скользят вдоль своих длинных осей, при этом вращаясь вокруг них. Такие ЖК подобны жидкостям. К этому агрегатному состоянию способны прийти только те вещества, молекулы которых имеют форму, при которой они не отличаются от своего зеркального отражения.

C.                  Холистерические – образовываются в соединениях различных стероидов, например, холестерина. Во многом схожи с нематическими ЖК, за исключением расположения молекул. Длинные оси молекул холистерических ЖК повернуты друг относительно друга таким образом, что молекулы образуют спирали. Основная особенность такого типа жидких кристаллов – его молекулы сверхчувствительны к любому изменению температуры и в зависимости от нее – меняют свою ориентацию, а значит и саму спираль. Примечательно, что в зависимости от шага спирали холистерических ЖК также меняют свой цвет. В связи с двумя указанными свойствами, такие жидкие кристаллы нашли широкое применение в различных сферах человеческой деятельности.

Лиотропные – образовываются в смесях, состоящих из стержневидных молекул данного вещества и полярных растворителей (например, воды).

Применение жидких кристаллов

ЖК-дисплеи

Прежде всего следует отметить не наиболее полезное, но наиболее известное применения ЖК – жидкокристаллические дисплеи. Иногда они называются LCD-дисплеи, что есть сокращением английского «liquid crystal display». В век гаджетов такие дисплеи присутствуют практически в любом электронном устройстве: телевизоры, мониторы компьютеров, цифровые фотоаппараты, навигаторы, калькуляторы, электронные книги, планшеты, телефоны, электронные часы, плееры и др.

Устройство ЖК-дисплеев достаточно сложное, однако в общем виде представляет собой набор стеклянных пластин, между которыми расположены жидкие кристаллы (ЖК-матрица), и множество источников света. Пиксель ЖК-матрицы включает в себя пару прозрачных электродов, которые позволяют менять ориентацию молекул жидкого кристалла, а также пару поляризационных фильтров, которые регулируют степень прозрачности и др.

Термография

Менее популярное, но более важное применение ЖК – это термография. Термография позволяет получить тепловое изображение объекта, в результате регистрации инфракрасного излучения – тепла. Инфракрасные приборы ночного зрения используются пожарными, в случае задымления помещения, с целью обнаружения пострадавших в пожаре. Также они нашли применение у служб безопасности и военных служб.

Тепловые изображения позволяют обнаруживать места перегрева, нарушения теплоизоляции, или другие аварийные участки при обслуживании линий электропередачи или строительстве.

Также термография используется при медицинской визуализации, в основном для наблюдения молочных желез. Это позволяет обнаруживать различные онкологические заболевания, вроде рака молочной железы.

Электронные индикаторы

Электронные индикаторы, создаваемые при помощи жидких кристаллов, реагируют на различные температуры, в результате чего могут проинформировать о сбоях и нарушениях в электронике. К примеру, ЖК в виде пленки наносят на печатные платы и интегральные схемы, а также – транзисторы. Неисправные сегменты электроники легко отличить при наличии такого индикатора.

Помимо этого, ЖК-индикаторы, расположенные на коже пациента, позволяют обнаруживать воспаления и опухоли у человека.

Индикаторы из жидких кристаллов используют и для обнаружения паров различных вредных химических соединений, а также обнаружения ультрафиолетового и гамма-излучения. С применением ЖК разрабатываются детекторы ультразвука и измерители давления.

Определение сублимации и десублимации

Сублимация и десублимация – это процессы перехода вещества из твердого состояния в газообразное и обратно, без прохождения через жидкую фазу. В обычных условиях, при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре, большинство веществ переходят из твердого состояния в жидкое при нагревании, а затем из жидкого в газообразное при дальнейшем нагревании. Однако, некоторые вещества обладают свойством сублимировать, то есть прямо переходить из твердого состояния в газообразное без промежуточной жидкой фазы.

Десублимация, в свою очередь, является обратным процессом сублимации. Это переход вещества из газообразного состояния в твердое, минуя жидкую фазу. Вещества, способные десублимировать, обычно сублимируют при низкой температуре и давлении, а затем десублимируют при понижении температуры или повышении давления.

Условия, необходимые для сублимации и десублимации

Для сублимации и десублимации необходимо соблюдение определенных условий, которые зависят от свойств вещества и окружающей среды. Вот некоторые из этих условий:

Температура

Сублимация происходит при достижении определенной температуры, называемой точкой сублимации. Это температура, при которой вещество переходит из твердого состояния в газообразное без промежуточной жидкой фазы. Для каждого вещества точка сублимации может быть разной. Например, для сухого льда (твердого углекислого газа) точка сублимации составляет -78,5°C.

Десублимация, в свою очередь, происходит при понижении температуры ниже точки сублимации. То есть, газообразное вещество конденсируется обратно в твердое состояние.

Давление

Для сублимации и десублимации также важно давление окружающей среды. Некоторые вещества сублимируют только при определенном давлении. Например, вода при нормальных условиях не сублимирует, так как ее точка сублимации находится при очень низком давлении, недоступном на поверхности Земли. Однако, при пониженном давлении, например, в вакууме, вода может сублимировать.

Десублимация, в свою очередь, может происходить при повышении давления. Например, если газообразное вещество находится в закрытом сосуде и давление в сосуде повышается, то оно может десублимировать и конденсироваться обратно в твердое состояние.

Чистота вещества

Чистота вещества также может влиять на процессы сублимации и десублимации. Наличие примесей или других веществ может изменить точку сублимации или препятствовать процессу. Поэтому для успешной сублимации или десублимации важно использовать чистые вещества.

Примеры сублимации и десублимации в повседневной жизни

Сублимация и десублимация – это процессы, которые мы можем наблюдать в нашей повседневной жизни. Вот несколько примеров:

Сублимация сухого льда

Сухой лед, или твердый углекислый газ, является примером вещества, которое сублимирует при нормальных условиях. Когда сухой лед находится в открытом воздухе, он не тает, а прямо из твердого состояния переходит в газообразное состояние. Этот процесс сублимации сопровождается выделением белого дыма, который мы видим, когда сухой лед “испаряется”.

Десублимация снега

Когда снег плавится, он переходит из твердого состояния в жидкое состояние. Однако, при низких температурах и низком давлении, снег может десублимировать и прямо из жидкого состояния перейти в газообразное состояние. Этот процесс называется сублимацией снега. Мы можем наблюдать это, когда снег на солнце или при ветре исчезает без оставления лужи.

Сублимация мигрирующей влаги

Сублимация также может происходить с влагой, которая находится внутри материалов. Например, когда мы замораживаем продукты, такие как мясо или овощи, влага внутри них может сублимировать и прямо из твердого состояния перейти в газообразное состояние. Это позволяет продуктам сохранять свою свежесть и качество.

Десублимация пара на окнах

Когда влажный воздух внутри помещения сталкивается с холодной поверхностью окна, пар воздуха может десублимировать и прямо из газообразного состояния перейти в твердое состояние. Это приводит к образованию конденсата или инея на окнах. Мы можем наблюдать это, когда на окнах появляются капли воды или ледяные узоры.

Применение сублимации и десублимации в промышленности и научных исследованиях

Сублимация и десублимация – это процессы, которые имеют широкое применение в промышленности и научных исследованиях. Вот несколько примеров:

Применение сублимации в промышленности

Сублимация используется в различных отраслях промышленности для получения чистых веществ и разделения смесей. Например:

·                     Фармацевтическая промышленность использует сублимацию для получения чистых лекарственных веществ. Вещество сублимируется, а затем собирается и отделяется от примесей.

·                     Производство пищевых продуктов может использовать сублимацию для получения чистых ароматических веществ. Например, сублимация может использоваться для получения ванилина из ванили.

·                     Производство электроники может использовать сублимацию для получения чистых полупроводниковых материалов. Например, сублимация может использоваться для получения кристаллов кремния.

Применение десублимации в промышленности

Десублимация также имеет свои применения в промышленности:

·                     Нефтеперерабатывающая промышленность использует десублимацию для разделения нефтепродуктов на различные фракции. Например, десублимация может использоваться для разделения сырой нефти на бензин, дизельное топливо и мазут.

·                     Производство спиртных напитков может использовать десублимацию для получения высокопрочных спиртов. Например, десублимация может использоваться для получения водки или виски.

·                     Производство соли может использовать десублимацию для получения чистой пищевой соли. Например, десублимация может использоваться для отделения соли от раствора.

Применение сублимации и десублимации в научных исследованиях

Сублимация и десублимация также широко используются в научных исследованиях для различных целей:

·                     В химических исследованиях сублимация и десублимация могут использоваться для очистки и разделения веществ, а также для получения чистых образцов для анализа.

·                     В физических исследованиях сублимация и десублимация могут использоваться для изучения фазовых переходов и свойств веществ при различных условиях.

·                     В материаловедении сублимация и десублимация могут использоваться для получения чистых материалов с определенными свойствами, таких как полупроводники или кристаллы.

В целом, сублимация и десублимация играют важную роль в промышленности и научных исследованиях, позволяя получать чистые вещества, разделять смеси и изучать свойства материалов.

Практическое значение сублимации и десублимации

Сублимация и десублимация имеют важное практическое значение в различных областях. Вот несколько примеров:

Очистка и разделение веществ

Сублимация и десублимация используются для очистки и разделения различных веществ. При сублимации вещество переходит из твердого состояния в газообразное, а затем конденсируется обратно в твердое состояние. Этот процесс позволяет отделить чистое вещество от примесей и получить высокую степень очистки. Десублимация, напротив, позволяет разделить смеси на компоненты, используя различные температуры сублимации каждого компонента.

Получение чистых образцов для анализа

Сублимация и десублимация также используются для получения чистых образцов веществ для анализа. Чистые образцы необходимы для проведения различных физических, химических и биологических исследований. Сублимация и десублимация позволяют получить образцы с высокой степенью очистки, что обеспечивает точные и надежные результаты анализа.

Изучение фазовых переходов и свойств веществ

Сублимация и десублимация используются для изучения фазовых переходов и свойств веществ при различных условиях. При сублимации вещество переходит из твердого состояния в газообразное, а при десублимации – из газообразного в твердое состояние. Эти процессы позволяют исследовать изменения свойств вещества в зависимости от температуры и давления, а также изучать его структуру и поведение в различных фазах.

Производство и применение материалов

Сублимация и десублимация играют важную роль в производстве и применении различных материалов. Например, сублимация используется для получения чистых полупроводниковых материалов, которые широко применяются в электронике. Десублимация может использоваться для получения чистых металлов или сплавов с определенными свойствами. Эти процессы позволяют создавать материалы с желаемыми характеристиками, что важно для различных отраслей промышленности.

В целом, сублимация и десублимация имеют широкое практическое значение, позволяя очищать и разделять вещества, получать чистые образцы для анализа, изучать свойства веществ и производить материалы с определенными характеристиками. Эти процессы играют важную роль в различных областях, включая химию, физику, материаловедение, фармацевтику и промышленность в целом.

Таблица сравнения сублимации и десублимации

Заключение

Сублимация и десублимация – это процессы перехода вещества из твердого состояния в газообразное и обратно. Для сублимации необходимо, чтобы давление паров вещества превышало атмосферное давление при данной температуре, а для десублимации – наоборот. Эти процессы имеют широкое применение в различных областях, включая промышленность и научные исследования. Сублимация и десублимация играют важную роль в повседневной жизни, например, при замораживании сухого льда или при очистке воздуха с помощью сублимационных осушителей. Понимание этих процессов помогает нам лучше понять физические свойства веществ и использовать их в практических целях.

Помимо прямого применения ЖК в перечисленных выше сферах, следует отметить, что жидкие кристаллы во многом похожи на некоторые клеточные структуры, и иногда присутствуют в них. В силу своих диэлектрических свойств жидкие кристаллы регулируют взаимоотношения внутри клетки, между клетками и тканями, а также между клеткой и окружающей средой. Таким образом, изучение природы и поведения жидких кристаллов может привнести вклад в молекулярную биологию.

Скачано с www.znanio.ru